Tema 5: Enrutamiento

ENRUTAMIENTO

Capa de red y enrutamiento

El objetivo principal de la capa de red es el enrutamiento, es decir, llevar paquetes desde el origen al destino a través de la subred. También se encarga de la interconexión de redes heterogéneas formando inter-redes.

Los routers o encaminadores tienen como funciones determinar la mejor ruta y reenviar los paquetes. La ruta elegida viene definida según la información recibida en el algoritmo de enrutamiento.

Pueden existir varios caminos alternativos pero en la tabla de reenvío o enrutamiento se guardará la mejor de las rutas.

Tabla de encaminamiento

La tabla de rutas contiene una entrada para cada red a la que se puede llegar, almacenándose:

• Dirección de red destino y su máscara de red.
• La dirección IP del puerto de enlace por el que debe salir el mensaje.
• Número de routers intermedios que es necesario atravesar.

Estas tablas las utilizan los protocolos de encaminamiento y se actualizan dinámicamente mediante el envío de información entre routers.

Puede aparecer más de una entrada con la misma dirección IP de red de destino, cuando existen varias rutas distintas que alcancen el mismo destino.

Tipos de encaminadores según ubicación en red

Los routers pueden ser:

• Router de interior: se instala en una LAN para dar servicio de encaminamiento dentro de la propia red local.
• Router de exterior: el encaminador comunica nodos y redes en el exterior de la LAN. Son usados por los operadores de internet para comunicarse entre ellos.
• Router de frontera: conecta routers interiores con routers exteriores.
  

Tipos de algoritmos de encaminamiento

Hay dos tipos:

• Estáticos: las rutas se calculan manualmente por el administrador de la red y luego se introducen en la tabla de rutas. Carecen de capacidad para aprender la topología por sí mismo.
• Dinámicos: son cpaces de aprender por sí mismos la topología de la red, en la que puede detectar los cambios producidos.
  

Ventajas y desventajas de Routing Estático

Ventajas:

• Las rutas estáticas no se anuncian a través de la red, por lo cual aumenta la seguridad.
• Consumen menos ancho de banda que los protocolos de routing dinámico.

Desventajas:

• No se adapta bien a redes en crecimiento, siendo cada vez más complicado.
• Requiere conocimiento completo de toda la red para su implementación.
  

Componentes de routing dinámico

Tablas de rutas, donde guardan toda la información de las redes conectadas y que conoce.

Mensajes de protocolos de routing, para conocer routers vecinos, intercambiar información de routing y realizar tareas para descubrir la red y obtener información actualizada.

Algoritmos para facilitar la información de routing y determinar la mejor ruta.

Ventajas y desventajas de Routing Dinámico

Ventajas:

• Adecuado para topologías con varios routers.
• Independiente del tamaño de red.
• Se adapta automáticamente a la topología en caso de fallo de algún router y cuando vuelve a funcionar se restaura la conexión.

Desventajas:

• Menor seguridad que el estático.
• Más consumo de ancho de banda porque debe estar continuamente actualizándose.
• Implementación más compleja.
  

Métrica

Parámetro que identifica el coste del camino.

Es un valor generado por el enrutador o asignado por el administrador para cada ruta.

Protocolos de enrutamiento dinámicos

•  Protocolos de enrutamiento basados en el vector-distancia.

Determinan el mejor camino calculando la distancia al destino.

Determinan la dirección (vector) y la distancia hacia cualquier enlace.

• RIP.

Utiliza el conteo de saltos como métrica para la selección de rutas.

No admite subnetting (excepto versión 2).

De manera predeterminada, se envía cada 30 segundos un mensaje broadcast de las actualizaciones de enrutamiento a todas las entradas del router, lo que consume ancho de banda y cpu de router para procesar todas las actualizaciones.

• Protocolo de enrutamiento basados en el estado de enlace.

Permiten al router crearse su mapa de la red, para que él mismo pueda determinar el mejor camino a un destino, examinando el mapa que se ha construido.

Consideran además de la distancia al destino, el ancho de banda del mismo para elegir la ruta más óptima al destino.

• OSPF

El envío de paquetes siempre se realiza por la ruta mś corta de todas las disponibles, que es la que requiere menor número de saltos.

Soportan clases sin redes (subredes) al igual que RIPv2.

Tema 4: El Nivel de la Red

EL NIVEL DE LA RED

Nivel de red o capa 3

El nivel de red o capa 3 del modelo de referencia OSI se encarga principalmente de la búsqueda de rutas para el envío de paquetes entre ordenadores de distintas redes.

Envío de paquetes a nivel de red.

El proceso de envío de información a nivel de red se lleva a cabo a través de 4 procesos básicos:

• Direccionamiento
  

La capa de red debe poseer un mecanismo por el que se identifique cada host en la red y pueda ser accesible desde cualquier otro host de la red a laque pertenece u otra.

• Encapsulamiento
  

La información antes de ser enviada debe haber sido encapsulada.

• Enrutamiento
  

La capa de red debe de proporcionar los mecanismos por los que el paquete encapsulado accederá a la red destino, mecanismos de detección de rutas óptimas.

• Desencapsulamiento
  

Una vez el paquete llega a su destino este será procesado y desempaquetado.

Protocolos de la capa de red.

Entre los protocolos usados a nivel de red encontramos (IP–v4 y v6), IPX, Apple Talk o servicio de red sin conexión(CLNS/DECNet).

Dispositivos de nivel de red.

• Encaminadores o routers:
  

Conectan la red al resto de redes dejando sólo pasarla información a través de ellos cuando va dirigida aun equipo de una red diferente a la del equipo emisor.

• Conmutadores de nivel 3:
  

Existen switch que además de las labores de conmutador también desempeñan las tareas de un router.

• Gateway:
  

El gateway permite la conexión con otras redes pero no está conectado al ISP (punto de servicio del proveedor).

Protocolo IP.

Encaminamiento: Todo elemento en la red es encaminado, conducido a su destino, con la ayuda de componentes que mantienen tablas de direcciones con caminos alternativos.

Direccionamiento IP.

El direccionamiento IP trata la forma en la que el protocolo IP identifica a los nodos de la red.
Todo nodo en la red posee una única dirección IP siempre que tenga instalada una sola tarjeta de redo NIC.

Tipos de direcciones de red.

• Unicast:
  

Referencian una única interfaz de red. Las direcciones IP unicast son las que usamos normalmente en el envío de información, ya que ésta sólo va dirigida a un único componente de la red.

• Multicast:
  

Una dirección IP multicast referencia varias interfaces en una red, de forma que si enviamos un paquete con una dirección multicast, este paquete llegará a más de una interfaz de red, más de un ordenador.

• Broadcast:
  

La dirección IP referencia a todos los equipos de una red es decir la información será enviada a todos los ordenadores de una red.

Direcciones IPv4.

• Formato:
  
  • 32 bits agrupados de 8 en 8.
    
  • Cada grupo forma un número que varía de 0 a 255.
    
  • Una dirección IPv4 está formada por 4 números separados por puntos.
    

Partes de una dirección IPv4

• Una dirección IPv4 esta formada por dos partes:
  
  • Identificador de red: Es la parte de la dirección IP que identifica la red donde se encuentra el equipo.
    
  • Identificador de host: Nombre del PC en la red.
    

Máscara de subred IPv4.

• La máscara de subred se usa para diferenciar los bits de red de los de host en una dirección IPv4.
  
• La máscara está formada por 32 bits de los que tendrán valor 1 aquellos que identifiquen red y 0 aquellos que identifiquen host.
  
• Estos 32 bits se agrupan de 8 en 8 al igual que en una dirección IP.
  
• Una máscara de red puede también expresarse usando la notación CIDR (Classless Inter-Domain Routing).
  

Dirección de red IPv4.

• La dirección de red se obtiene poniendo a cero todos los bits de host de una dirección IP.
  
  
  
• La dirección de red también se puede calcular realizando la operación AND entre la dirección IP y la máscara de red.
  

Clases de direcciones IPv4.

Las direcciones IPv4 se clasifican en diferentes clases:

	Rango	Máscara	Privada Host
A	0.0.0.0 127.255.255.255	255.0.0.0	10.0.0.0 10.255.255.255
B	128.0.0.0 191.255.255.255	255.255.0.0	172.16.0.0 172.31.255.255
C	192.0.0.0 223.255.255.255	255.255.255.0	192.168.0.0 192.168.255.255
D	224.0.0.0 239.255.255.255	255.255.255.255
E	240.0.0.0 247.255.255.255	255.255.255.255

Direcciones IPv4 públicas y privadas.

Debido a que el espacio de direcciones IP es limitado y sobre todo en IPv4 casi agotado, se plantea una división de las direcciones entre IP públicas y privadas.

• Públicas:
  

Direcciones IP únicas e irrepetibles en Internet.

• Privadas:
  

Existen rangos de direcciones IP que no se utilizan a nivel público, ningún ordenador en internet puede adoptar la IP, sino que se dejan para uso privado a nivel de red interna, de forma que pueden existir varías empresas que usen para configurar su red la misma dirección IP.

Direcciones IPv4 interesantes.

• Dirección IP de la puerta de enlace o Gateway:
  

Dirección IP del encaminador (router) del sistema.
La puerta de enlace puede ser cualquiera de las direcciones IP de un rango, normalmente se suele usar la primera dirección IP del rango o la última.

• Dirección de broadcast:
  

Dirección de multidifusión por la que se enviará un paquete a todos los nodos de la red.
La dirección de broadcast de una red se consigue poniendo a 1 todos los bits de host.

• Dirección de bucle local:
  

Es una dirección de red que se usa para comprobación de las propias interfaces de red. Esta dirección de red de clase A es 127.0.0.0. Normalmente, las comprobaciones se realizan usando la IP 127.0.0.1 pero cualquier otra de esta red es válida, por ejemplo 127.10.10.1. No podemos usar en ninguna de nuestras redes esta dirección de red.

Para configurar una red necesitamos.

• Dirección de red.
  
• Máscara de red.
  
• Dirección de la puerta de enlace.
  
• Dirección de broadcast.
  
• Rango de direcciones IP.
  

Tema 3: Capa de Enlace

TEMA 3: Capa de enlace.

El nivel de enlace en el modelo OSI

• El nivel de enlace o nivel 2 se encarga de mantener una línea de comunicación libre de errores.
• La capa de enlace toma la información de la capa de red, la divide en grupos de bits llamados tramas o frames y se encarga de detectar anomalías.

Operaciones que realiza el nivel de enlace

• Detección de errores.
• Tratamiento de los errores en las tramas recibidas.
• Eliminación de tramas erróneas.
• Solicitud de retransmisiones.
• Descarte de tramas duplicadas.
• Adecuación del flujo de datos entre emisores rápidos y receptores lentos.

Subcapas MAC y LLC

Subcapa MAC

• La subcapa de control de acceso al medio es muy importante en las redes de área local, ya que la mayoría de ellas utilizan un canal común(canal de acceso múltiple)como base de sus comunicaciones.
• La principal función de esta subcapa consiste en cómo determinar quien tiene derecho de acceso en cada momento al canal compartido por todos los equipos conectados a la misma red.

Capa MAC

• La capa MAC establece una serie de protocolos para indicar cómo acceder al medio.
  • Protocolo Aloha y CSMA
    • Aloha: La estación quiere transmitir y envía directamente al medio la señal. Cada cierto tiempo mira el medio y si la señal no es la suya espera un tiempo aleatorio para volver a enviar datos.
    • CSMA: Mejora del Aloha. Antes de transmitir mira si alguna estación está transmitiendo. Si el medio está ocupado espera un tiempo aleatorio para volver a enviar. Transmitimos y dejamos de mirar al medio o miramos aleatoriamente este. Si hay colisiones no se detectan.
  • Protocolo CSMA/CD
    • Antes de transmitir se mira al medio, si está libre se transmite y se sigue observando el medio. Si se produce colisión se retira la información y se espera un tiempo aleatorio para volver a transmitir.
  • Protocolos sin colisión
    • Se asigna a cada estación un tiempo en el que puede transmitir y antes de empezar la transmisión se establece un período de contienda donde se especifica quién quiere transmitir. La trasmisión se da en el orden de la contienda.
  • Protocolo CSMA/CA
    • El medio se testea antes de la transmisión, si no se puede transmitir se espera un tiempo aleatorio en función de reservas establecidas en la red.

Subcapa LLC

• La principal función de esta subcapa está en garantizar, en colaboración con la capa MAC, la comunicación libre de errores de las tramas construidas con la información recibida del nivel de red, su inmediatamente superior.
• La subcapa LLC se encarga de:
  • Confección de las tramas.
  • Control de errores.
  • Control de flujo.
  • Gestión del enlace de datos.

Tramas LLC

• Las unidades de datos(PDU, Protocol Data Unit) de nivel 2 se llaman tramas.
• La capa de enlace debe proporcionar un flujo de bits a la capa física para que esta los transmita una vez convertidos a las señales adecuadas al canal de transmisión.
• Cada una de las tramas constituye una asociación de bits, tanto de información de usuario como de control.
• Las técnicas de asociación por la que los bits se agrupan formando tramas se llaman técnicas de entramado o framing.
• A la hora de crear una trama se debe tener en cuenta:
  • Tamaño de la trama.
  • Delimitadores de inicio y fin de trama.
  • Indicador de error en la trama.
  • Dirección de la estación origen.
  • Dirección de la estación destino.
  • Datos.

Dirección MAC

• A nivel de enlace una estación tiene asignada una identificación denomina dirección MAC o dirección física.
• La dirección física esta compuesta por 6 grupos de 8 bits, en total 48 bits.
• Se representa en hexadecimal.
• Está asignada de fábrica al dispositivo.
• Todo dispositivo que puede conectarse a una red tiene asociada una MAC.

Control de errores

• Uso de tramas de confirmación.
• Una vez se recibe una trama esta se revisa. ¿Existen errores? Si la respuesta es sí:
  • No se envía trama de confirmación. Pasado un tiempo el emisor volverá a enviar la trama.
  • Se envía trama indicando que se ha producido un error en la transmisión y se solicita nuevamente el envío de la trama errónea.
• Uso de códigos de paridad y redundancia (CRC)

Control de flujo

• Control ante emisores rápidos y receptores lentos.
• En algunos algoritmos de control de flujo los receptores disponen de una «ventana» (lugar de almacenamiento), donde se guardan las tramas recibidas. Cuando esta ventana está llena el receptor indica al emisor que no transmita más tramas hasta nueva orden.
• Ejemplo: Protocolo de ventana deslizante.

Redes Ethernet (802.3)

• Tipo de red de área local.
• Son también redes de área local las redes Token Ring (802.5) o redes inalámbricas del estándar 802.11.

Características de las redes Ethernet

• Redes cableadas. Usan cable par trenzado en alguna de las categorías estudiadas.
• Usan codificación Manchester o Manchester diferencial.
• Emplean la técnica de control de acceso al medio (MAC) CSMA/CD.
• Velocidad máxima de transmisión 10Mbps.

Tipos de redes Ethernet

Configuración 5-4-3

• En estas redes era común la configuración 5-4-3.
• Máximo 5 segmentos de red, 4 repetidores y solo en 3 de estos segmentos conectan PCs.

Redes Fast Ethernet

• Los 10Mbsp de velocidad de transmisión empiezan a ser escasos. En 1992 la IEEE convoca al comité de la 802.3 para aumentar la velocidad de transmisión.
• En 1995 aparece 802.3u o también conocido como Fast Ethernet. Siguen las pautas de las redes 802.3 pero aumentan la velocidad.

Características de las redes Fast Ethernet

• Usan normalmente cable par trenzado de categoría 3 o 5. Existe alguna configuración con fibra óptica. Cable coaxial descatalogado.
• Velocidad 100 Mbps.

Redes Gigabit Ethernet

• Nada más finalizar el estándar 802.3u se empieza a trabajar para aumentar la velocidad de transmisión y se desarrolla el 802.3z, también llamado Gigabit Ethernet.
• Multiplicamos por 10 la velocidad de transmisión.

Tipos de redes Gigabit Ethernet

Redes 10 Gigabit Ethernet

• La IEEE sigue desarrollando estándares que mejores a los existente.
• 10 Gigabit Ethernet multiplica nuevamente por 10 la velocidad de transmisión.
  

  

Dispositivos de nivel de enlace

NIC

• Componente fundamental en la instalación física de una red.
• Compuesta de:
  • Interfaz de conexión al bus del ordenador. Así será PCIe, PCI, etc.
  • Interfaz de conexión al medio de transmisión. Dispondrá de conector RJ45, BNC, SC, etc.
  • Chips que establecen las características de la tarjeta y las redes a la que puede conectar.
• Cuando adquiramos una tarjeta de red es importante seleccionar:
  • El tipo de bus interno (PCIe, PCI, ISA, etc.) ya que denotará la velocidad de transmisión interna.
  • El tipo de conexión con el medio, no es lo mismo una tarjeta Ethernet a 10Mbps que una tarjeta Ethernet a 100Mbps.

Ejemplos de tarjetas de red

• NIC para redes Ethernet 10Mb. Ranuras ISA conectores RJ45, BNC o ambos.
• NIC para redes Ethernet 100Mb. Ranuras PCI conectores RJ45 o fibra.
• NIC para redes Ethernet 1000Mb. Ranuras PCI o PCIe conectores RJ45 o firba.

Instalación de la tarjeta de red

• Similar a cualquier componente hardware.
  • Abrir PC.
  • Colocar en ranura adecuada.
  • Realizar las modificaciones, si fueran necesarias a nivel BIOS.
  • Instalación y configuración a nivel de sistema operativo.

Bridges, puentes

• Es el dispositivo encargado de conectar a nivel de enlace redes con topologías y protocolos diferentes.
• Como su nombre indica, es un puente o salto a la otra red.
• Formados como mínimo por dos interfaces distintas (necesarias para la conexión de redes diferentes).
• No solo conectan redes distintas, también gestión el flujo de datos. Si una información la envía un Pc a otro Pc de la misma red el bridge se encarga de que no vaya más allá de ella, es decir no acceda a la otra red ya que no es necesario.

Puntos de acceso inalámbrico

• Se encarga de interconectar dispositivos inalámbricos para formar una red inalámbrica.
• Normalmente un AP tiene una serie de puertos RJ45 que le permiten conectar con la red cableada.
• Básicamente un punto de acceso es un repetidor, ya que en el momento que recibe un dato lo almacena y lo transmite a todos los puestos inalámbricos y cableados.

Conmutadores o Switch

• Conectan redes a nivel de enlace de datos pero a diferencia de los puentes estas redes deben cumplir los mismos protocolos.
• Se usan conmutadores para segmentar la red y mejorar su rendimiento.
• Un switch es selectivo de forma que solo enviará la información a través del puerto por el que se llegue al PC receptor de esta.
• Con un switch si la tasa de transferencia de la red es de 10 Mbps, todos los puertos disfrutarán de esta velocidad porque en el mismo instante la información solo estará transmitiéndose por uno de ellos.
• Normalmente cuando estudiamos los switch decimos que son inteligentes, aprenden en función de las peticiones de envío que se realicen.
• Cuando un Pc quiere transmitir:
  • El switch observa la dirección IP del destino.
  • Realiza petición ARP por la que se solicita se busque la MAC asociada a esa IP.
  • Envío a envío el switch configura una tabla en la que asocia IP-MAC.
  • La siguiente vez que se quiera enviar a la misma dirección el envío será directo al destinatario.